1、 | 49收稿日期：基于DSP2812的全新數(shù)字鎖相環(huán)王孝東，王旭東，王云鵬（哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱；中船重工第研究所，黑龍江哈爾濱）摘要：鑒于能量回饋控制系統(tǒng)要求回饋電流與電網(wǎng)電壓嚴(yán)格同頻同相，結(jié)合鎖相環(huán)原理，提出了一種基于的高精度數(shù)字鎖相控制方案。利用內(nèi)部的捕獲單元、通用定時器和比較單元，方便地實現(xiàn)了對電網(wǎng)電壓和回饋電流的信號捕獲，從而達(dá)到調(diào)頻調(diào)相的目的，達(dá)到并網(wǎng)條件。實驗表明，此方法精度高，鎖相速度快，保證了并網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和高效性。關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)；能量回饋中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：（）A New Design of All Digital Phase-L

2、ockedLoop Based on DSP 2812WANG Xiao-dong1, WANG Xu-dong1, WANG Yun-peng2( 1. College of Electric and Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080 China;2. 703 Research Institute of CSIC, Harbin 150036 China Abstract: In view of energy feedback control system re

3、quires strict feedback current and grid voltage in phase with the frequency,According to the PLL theory, this paper puts forward a high precision digital phase-locked loop control method based onDSP TMS320F2812.The voltage of grid and current of solar generation are easily collected by capture unit,

4、general timerand compare unit of DSP The conditions of grid-connection about regulation of frequency and phase are achieved .Thismethod is proved to be having high accuracy and high lock speed. The reliability and high efficiency can be ensured.Key words: DPLL; DSP; energy feedback引言近年來，隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快

5、，我國對電能的需求日益加大，節(jié)電成為了當(dāng)今發(fā)展的主要課題，能量回饋應(yīng)運(yùn)而生。所謂能量回饋，是將電機(jī)制動生成能量反送回電網(wǎng)，此時要求電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相，即與電網(wǎng)同步，否則會對電網(wǎng)造成污染，影響電網(wǎng)正常運(yùn)作。因此，與電網(wǎng)同步是能量回饋的關(guān)鍵所在，傳統(tǒng)的鎖相采用模擬電路控制，硬件電路復(fù)雜、成本較高，同時由于器件老化和溫飄問題的存在，使得系統(tǒng)可靠性和效率下降，另外使用模擬技術(shù)還存在參數(shù)調(diào)整麻煩等問題。隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字信號處理（）的成熟，鎖相技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字控制已經(jīng)成為一種必然，本文提出了一種基于公司的芯片實現(xiàn)高精度鎖相控制的方法，并給出了實驗板的仿真結(jié)果及實際硬件測試結(jié)果，該方法具有簡單實用

6、、思路清晰、易于修改、鎖相穩(wěn)定，算法效率高等優(yōu)點。實驗證明，使用數(shù)字鎖相環(huán)能夠更好更安全的實現(xiàn)電能無污染并網(wǎng)。能量回饋控制系統(tǒng) 能量回饋控制系統(tǒng)可有效解決電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時，由于二極管不可控整流器能量傳輸不可逆，再生能量在儲能電容上累積而產(chǎn)生泵升電壓問題，如圖所示。傳統(tǒng)的直流母線之間接通一個能耗電阻來釋放能量的方法，雖然可以在一定程度上消耗產(chǎn)生的能量，但如果電動機(jī)制動頻繁或長期帶位勢負(fù)載運(yùn)行，則能量浪費(fèi)嚴(yán)重；而且由于電阻發(fā)熱，環(huán)境溫度升高，影響系統(tǒng)的可靠性。采用能量回饋控制系統(tǒng)可以解決上述問題，在獲得快速動態(tài)響應(yīng)的同時，還可以把制動能量回饋至電網(wǎng)，通過鎖相環(huán)調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率和相位，實現(xiàn)回

7、饋電壓和電網(wǎng)電壓同步，輸出“純凈”、“無污染”的電能，對節(jié)約能源有一定的意義。概括說來，能量回饋控制的優(yōu)點有：（）真正實現(xiàn)了變頻調(diào)速系統(tǒng)的四象限運(yùn)行；（）制動產(chǎn)生的能量得到回收利用，系統(tǒng)的效率大大提高，與此同時，電網(wǎng)品質(zhì)不受影響；（）系統(tǒng)發(fā)熱量降低，安全性提高，維護(hù)工作量減少；（）完善制動效果，適應(yīng)快速制動和頻繁制動的工程需求。鎖相環(huán)的基本原理為保證電機(jī)制動過程中產(chǎn)生能量與電網(wǎng)電壓同頻率同相位，我們在系統(tǒng)中引入鎖相環(huán)，使用變壓器引出電網(wǎng)電壓作為鎖相環(huán)的給定，使回饋電壓與電網(wǎng)電壓同步，從而實現(xiàn)回饋能量的高效無污染并網(wǎng)。鎖相環(huán)是指能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)，簡稱。如圖所示，鎖相環(huán)

8、主要由相圖能量回饋單元結(jié)構(gòu)圖圖鎖相環(huán)基本組成原理圖位比較器（）、壓控振蕩器（）、低通濾波器三個部分組成。壓控振蕩器的輸出接至相位比較器的一個輸入端，其輸出頻率的高低取決于低通濾波器輸出的控制電壓。施加于相位比較器另一個輸入端的外部輸入信號與來自壓控振蕩器的輸出信號相比較而產(chǎn)生的誤差電壓正比于和兩個信號的相位差，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量后，所得到的平均值電壓即圖中所示控制電壓朝著減小輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至輸出頻率和輸入信號頻率獲得一致。此時兩個信號的頻率相同，相位差保持恒定的狀態(tài)即稱作相位鎖定。當(dāng)鎖相環(huán)入鎖時，它還具有“捕捉”信號的能力，可在某一范圍內(nèi)自動跟蹤輸入信號的變化，如

9、果輸入信號頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)發(fā)生變化，它能捕捉到輸入信號頻率，從而使鎖定在這個頻率上。鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型鎖相環(huán)是一個相位負(fù)反饋的誤差控制系統(tǒng)。如圖所示，系統(tǒng)的輸入相位1( t 與反饋的輸出相位2( t 進(jìn)行比較，得到誤差相位( e t ，由誤差相位產(chǎn)生誤差電壓( d u t ，誤差電壓在經(jīng)過（）的過濾后得到控制電壓( c u t ，控制電壓加到壓控振蕩器上，產(chǎn)生相應(yīng)頻率偏移，來跟蹤輸入信號頻率( i t 。若輸入頻率i 為固定頻率，在( c u t 控制電壓的作用下，環(huán)路輸出頻率向輸入頻率i 接近，一旦兩個頻率相等時，滿足一定的條件時，環(huán)路就能穩(wěn)定下來，從而達(dá)到鎖定狀態(tài)。達(dá)到鎖定狀態(tài)之后，

10、壓控振蕩器頻率與輸入信號頻率相同，兩個頻率之間保持一定的穩(wěn)態(tài)相位差。這個模型直接給出了輸入相位1( t 與輸出相位2( t 之間的關(guān)系，因此又 | 51圖鎖相環(huán)路的相位模型稱為環(huán)路的相位模型，在這個基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步分析鎖相環(huán)。從相位模型我們可以得到環(huán)路的動態(tài)方程，即1( ( ( sin (e e p t p t KF p t =式中0d K U K =稱為環(huán)路增益。從物理意義上考慮，環(huán)路方程中( e p t 是環(huán)路的瞬時頻差。考慮到10( ( i t t t =+，在固定頻率輸入時( i t 只為常數(shù)，則1( p t 就是環(huán)路的固有頻差0，方程中最后一項0( sin ( ( e c KF p

11、 t K U t =，是控制電壓引起的壓控振蕩器頻率( v t 相對于自由振蕩頻率的頻差，即控制頻差。由此可見，環(huán)路動態(tài)方程描述了如下關(guān)系：瞬時頻差固有頻差控制頻差，這是環(huán)路的基本公式，它在環(huán)路動作的始終都是成立的。數(shù)字鎖相的設(shè)計與實現(xiàn)本文數(shù)字鎖相的設(shè)計方案是：首先運(yùn)用路單元分別捕獲計算電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電流的頻率和相位，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)節(jié)相應(yīng)載波頻率和初始相位，從而實現(xiàn)能量回饋系統(tǒng)輸出電流對電網(wǎng)電壓的頻率和相位的跟蹤。同步信號的檢測與捕獲同步信號的檢測分為電網(wǎng)電壓與逆變輸出電流的檢測。電網(wǎng)電壓頻率和相位的檢測如圖所示。電網(wǎng)電壓先經(jīng)過采樣變壓器采樣，再把采樣電壓送到過零比較器進(jìn)行過零檢測，得到

12、與電網(wǎng)電壓同頻同相的方波信號，然后進(jìn)行光耦隔離，并限壓在以下，濾去高頻干擾，最后送給的端口。電網(wǎng)電壓和輸入到中的電網(wǎng)過零信號如圖所示。逆變電流的檢測與電網(wǎng)電壓相同，逆變電流信號送給的端口。捕獲單元的作用是捕獲引腳上電平的變化，并記錄電平發(fā)生變化的時刻。本文中，和均設(shè)置為檢測到上升沿有效。由于輸入信號是方波圖電網(wǎng)電壓和電壓過零信號信號，因此兩個相鄰上升沿之間的間隔恰好是一個周期，同時上升沿發(fā)生的時刻就是采樣信號從負(fù)到正的過零點，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓和輸出電流頻率和相位的檢測。數(shù)字鎖相與軟件流程圖數(shù)字鎖相的目標(biāo)是使輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同圖頻率調(diào)整流程圖 相，也即讓逆變電流去跟蹤電網(wǎng)電壓的變化。輸出

13、電流頻率是通過調(diào)整產(chǎn)生的三角載波頻率而實現(xiàn)的，若電流頻率小于電網(wǎng)頻率，則應(yīng)減小發(fā)生信號的相關(guān)定時器周期寄存器的值，從而通過提高三角載波頻率來實現(xiàn)輸出電流與電網(wǎng)電壓頻率相同，反之亦然。輸出電流相位是通過調(diào)整產(chǎn)生信號正弦波離散值中的第一個點發(fā)生的時刻而實現(xiàn)的，當(dāng)捕獲到電網(wǎng)電壓的過零點時，立即調(diào)整相應(yīng)比較寄存器中正弦波離散值的指針，并作一定的時間補(bǔ)償。頻率調(diào)整的軟件流程框圖如圖所示。頻率調(diào)整的過程是，當(dāng)捕獲到上升沿產(chǎn)生中斷時，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，先保護(hù)現(xiàn)場，再判斷中斷源是還是。若是，則說明產(chǎn)生中斷的時刻是電網(wǎng)電壓的過零點。將捕獲值存入寄存器，再減去上一次的捕獲值，兩者的差值正好是電網(wǎng)電壓的周期。然后拿

14、該周期與當(dāng)前逆變電流周期作比較，倘若兩者無差值，則返回；若有誤差，則對周期寄存圖相位調(diào)整流程圖器作相應(yīng)的調(diào)整。相位調(diào)整的軟件流程框圖如所示。相位調(diào)整的過程是，將當(dāng)前電網(wǎng)電壓與逆變電流捕獲的過零值作比較，得到相位差。若相位差小于等于允許值，則說明兩者已同相；若相位差大于允許值，則作調(diào)節(jié)，然后再判斷正弦計數(shù)值有無大于限制值，若無，則直接把相鄰兩次的差值作為調(diào)整量；若大于限制值，則只調(diào)整限制值，在下一中斷時，再作進(jìn)一步的調(diào)整。仿真結(jié)果要想實現(xiàn)軟件鎖相，關(guān)鍵是要設(shè)計一個合適的鎖相環(huán)，即要找到合適的鎖相環(huán)的工作參數(shù)。鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器等組成，需要找到低通濾波器的通帶截止頻率、阻帶截止

15、頻率、濾波器的階數(shù)、環(huán)路濾波器中差分方程的系數(shù)等一系列的參數(shù)，可利用工具對模型進(jìn)行仿真。軟件應(yīng)用廣泛，新增加“”工具箱，這給使用者帶來了極大的方便，可以根據(jù)實際電路進(jìn)行建模和仿真。本文采用基于工具箱的方法對系統(tǒng)建模和仿真。仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)的可行性并得到一系列參數(shù)，為軟件編程提供依據(jù)。仿真模型機(jī)構(gòu)圖如圖所示。圖是根據(jù)仿真模型得到的鎖相環(huán)仿真結(jié)果，電網(wǎng)電壓同比縮小了倍。由圖中可以看出，大約經(jīng)過個電網(wǎng)周期，鎖相環(huán)的輸出sin 的過零點就與電網(wǎng)電壓的過零點完全重合，實現(xiàn)了完全鎖相，此種方法的鎖相速度和精度都能滿足要求。圖鎖相環(huán)仿真結(jié)構(gòu)圖 | 53圖鎖相環(huán)仿真波形實驗結(jié)果分析本文采用載波比的同步調(diào)制技術(shù)，的為（即周期），三角載波最小計數(shù)單位為，基波頻率為（即周期），因而正弦波的最小相位差為：××，（）×°°。即數(shù)字鎖相精度為：°°。我們將軟件鎖相技術(shù)應(yīng)用于能量回饋控制系統(tǒng)中，實驗結(jié)果如圖所示，可以看出成功的實現(xiàn)了回饋電壓與電網(wǎng)電壓的同步，且精度高，穩(wěn)定性好，在數(shù)字控制相位和頻率方面有較大改進(jìn)。結(jié)束語本文所研究的基于的軟件鎖相技術(shù)，鎖相精度高，易于實現(xiàn)，可以很好地滿足能量回饋作者簡介：王孝東（），男，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動。圖鎖相過程實驗波形系統(tǒng)的鎖相技術(shù)要求。經(jīng)實驗證明，該方法安全可靠，可實現(xiàn)電機(jī)制動